烟梗微波膨化基本规律的研究

陈晶铃　陈明功　汪晓艳　王　君　张洪流　陈明强

摘 要： 烟梗是烟草生产的副产物，对其进行膨胀制粒作为烟卷的填充料不仅提高了装填体 积和燃烧性能，而且还能降低成本和改善卷烟品质。采用微波膨化方法研究了烟梗膨化的影 响因素和基本规律，实验表明烟梗含水率对烟梗微波膨化率有重要影响，烟梗含水率在18% ～21%之间膨化效果最佳，膨化烟梗无碳化现象；微波膨化时间也是影响烟梗膨化重要因素 ， 最佳膨化时间约为70～80 s；在烟梗微波膨化过程中，温度发生明显变化，当 温度为85～95 ℃ 时，烟梗膨化显著，温度的变化可作为一个重要控制参数；加入适量膨化剂不仅提高烟梗膨 化率，而且改善了烟梗膨化质量，膨化剂对烟梗微波膨化有重要作用。微波膨化烟梗加热均 匀、快速，温度易控，设备体积小，因此微波膨化烟梗将具有一定的应用前景。

关键词：烟梗；微波；膨化；膨化率

中图分类号：TQ028.677 文献标识码： A 文章编号：1672-1098(2008)03-0061-04

烟梗是烟草生产的副产物，它由皮部和芯部组成，含有一定木质化程度纤维［1］。 目前国内外对烟梗废料的利用主要集中在制造活性炭、制板、提取化学原料和造纸等方面。

烟梗膨胀制粒技术是近年来在国外出现的烟草加工新技术，在烟卷中加入20%左右的梗 粒可有效提高装填体积和燃烧性能，降低木质气味和焦油，改善卷烟品质。目前该技术工艺 主要采用高温高压蒸汽（12 bar、300 ℃左右）对短梗和梗签膨胀 加工，目前膨胀梗屑技术在国外已被20余家烟草企业运用。2007年初国内也引进了一套该装 置。其它膨胀工艺还有流化 床膨胀梗丝、梗丝膨化塔等装置。但是高温高压蒸汽膨胀工艺还存在一些有待进一步改善的 问题，例如该工艺采用文丘里管，要求烟梗长度不大于30 mm，因此对我国烟梗 的应用受到一定程度限制；同时该技术为间歇生产等等。

微波［2］是波长在1～1 000 mm之间的电磁波。当极性分子材料处于交 变电磁场中时，材 料中原有处于杂乱状态的极性分子会随外电场方向定向排列。由于外电场是一种电场方向随 时间变化的交变电磁场，故极性分子也随之以极快的速度改变方向，产生高速摆振，分子间 碰撞与摩擦，产生热能，温度上升。微波的加热特性与传统加热方法和基本原理不同，其适 用于低水分含量物料的干燥［3］，微波膨化烟梗的主要优点在于：① 保持烟梗品质 微波可以保证烟梗在膨化过程中成分不变， 更好地保持烟梗的品质 、 风味和色泽， 高温高压蒸汽膨化技术虽然膨化了烟梗， 但引入了加热介质水蒸气， 部 分影 响了烟梗的原来结构和组成， 而微波独特的加热膨化方式使烟梗内外同时升温膨化，保证 产 品质量一致；② 快速均匀加热 微波照射烟梗时， 能够穿透烟梗深入到其内部， 这对烟 梗膨 化形成独特的无温度梯度均匀加热方式， 电磁能直接作用于介质分子转换成热能， 且透射 使 介质内外同时受热， 故可在短时间内达到均匀加热；③ 易于瞬时控制 微波加热的热惯性 小 ，即有微波辐射时物料加热，停止时物料得不到微波能量，加热过程即刻停止，这种状态 不 仅有利于控制最终温度，有效控制烟梗炭化，而且有利于实现自动化化和连续化生产；④ 能 量利用率效率高 不同物料对微波的吸收损耗不同，微波在金属等材料表面会出现反射，且 可以透过玻璃、陶瓷等物质。微波加热时被加热物料一般放置在用金属制成的加热室内，电 磁波被封闭在加热室的腔体，不会外泄，大部分微波被烟梗吸收，而对周围的空气、加热设 备的金属部件耗能极小，所以能量效率高；⑤ 适应各种形状烟梗 由于微波膨化能保持原 物料形状，因此对烟梗大小和形状没有要求。

1 实验原理和方法

1.1 基本原理

[JP1]烟梗含有极性水分子，具有强烈吸收微波的介电特性，在微波辐射加热时，随微波频率 激烈碰撞摩擦，产生大量热，从而使水急剧挥发，并产生蒸汽压，在烟梗中从内向外急剧压 出，使原料的纤维空间在扩大的同时急剧膨化，形成无数裂缝与微隙。微波加热过程中烟梗 的温度梯度、传热和蒸汽压迁移方向均匀一致，由里向外，因此便于烟梗内部蒸汽的产生和 积累。当烟梗内部蒸汽压力超过纤维组织结构强度的承受能力时，这种压力促使烟梗膨化。

1.2 实验材料和设备

实验材料：烟梗、自来水、膨化剂。实验设备：微波炉（2 kW）、电热恒温鼓 风干燥箱、电子天平。

1.3 实验方法

（1） 采用减重法测定烟梗的湿含量(含水率)：将潮湿烟梗放入干燥箱中，控制干燥箱温 度70 ℃，干燥至恒重；用减重法测试样品的含水率。（2）烟梗体积测定：采 用充填法测量 物料体积，即用细石英砂在量筒中浸没方法测试不规则固体烟梗体积。用量筒测定3次，取 平均值为测定结果。(3) 膨化率计算：体积膨化率η(倍) = 膨化后的烟梗体积(mL)/膨 化前的烟梗体积(mL) 。

2 实验结果和分析

2.1 烟梗含水率和膨化率的关系

取50 g干燥后的烟梗，分别用自来水调节至16%、18%、20%、22%、24%、26%左 右不同含水 率，在相同的膨化时间和微波强度条件下，微波加热80 s，测定烟梗含水率与 膨化率关系见图1。

从图1可知，当烟梗含水率低于20%时，烟梗膨化率随含水量的增加而提高。若烟梗含水 量太小，不利于水蒸气产生，产生的蒸汽压难以足够促使烟梗纤维空间扩大，膨化倍数低， 且有脱水碳化现象发生；当烟梗含水率进一步提高，随着深层挥发份物质向外层的扩散，形 成疏松的多孔性物质, 膨化倍数较高。当烟梗含水率大于20%时，烟梗膨化率随含水量增加 而降低，因为水分蒸发将消耗热量，且膨化后烟梗壳体因含水量较高没有定型，还会发生二 次收缩，需要迅速冷却才能使膨化外壳变硬。因此烟梗最佳含水率约为18%～21%。

2.2 微波加热时间与膨化率关系

在相同实验条件下取50 g含水率为20%的烟梗，微波膨化不同时间，测定微波加 热时间与膨化率关系见图2。

由图2可知，在12～70 s时，烟梗膨化率均呈缓慢上升趋势，由于在膨化初始阶 段，烟梗吸收微波较少，温度较低，失去表面结合水的速度较慢，蒸发产生的水蒸气较少， 导致膨化率较低；在70～90 s之间烟梗膨化率迅速增大，在此阶段烟梗温度升 高，部分结合水被蒸发，烟梗内部水蒸气压力迅速增大，膨化率随时间几乎呈线性增大。在 90 s以后烟梗的膨化率虽然稍有增大，但膨化烟梗开始出现碳化现象。

通过本实验发现，含水率约为20%的烟梗最佳膨化时间约为70～90 s，膨化率迅 速增大，此处出现突变。当微波膨化时间低于70 s时，膨化率增大速度较慢。

2.3 温度和膨化率关系

取若干份含水率为20%的湿烟梗50 g，微波膨化不同时间。膨化后，将热电偶迅 速插入烟 梗中，测量烟梗表面温度。待烟梗冷却后，测量并计算烟梗膨化率。烟梗膨化后温度与膨化 率关系见图3。

从图3可知， 随着微波膨化时间加长， 水分子吸收微波，温度不断升高，当温度升高到85 ～95 ℃，烟梗开始膨化，吸收的微波能量用于烟梗膨胀做体积功，所以此时烟梗的 升温速率变小。当微波加热时间继续加长，烟梗完全脱水进入炭化阶段，烟梗的升温速率开 始变大。

2.4 膨化剂浓度与膨化率关系

复合膨化剂可以在烟梗表面形成稳定的包覆膜，同时膨化剂在微波作用下可分解产生气 体，当水分在微波场中被加热气化时，需要更大的气体压力才能克服表面膜的张力，从而使 烟梗随蒸气的膨胀而膨化更大。这样不仅使烟梗不会碳化变黑，而且烟梗在低温下高倍膨化 。在其他条件不变的情况下，分别加入6%、8%、10%、12%浓度膨化剂，恒定微波膨化时间80 s，实验测得膨化剂浓度与膨化率关系见图4。

由图4可知，在同等条件下采用不同浓度膨化剂，烟梗膨化率较大，膨化效果更好。而 且膨化剂溶液浓度为10％时能得到最好的膨化结果。

在相同微波膨化时间（80 s）内，膨化剂浓度对烟梗膨化率有一定影响；当膨 化剂浓度为6％～8％时， 烟梗膨化率增大效果不明显； 膨化剂浓度为8％～10％时，烟梗 膨化率速率增大明显；膨化剂浓度为10％～12％时，烟梗膨化率反而下降，且膨化后的烟 梗有碳化现象， 当膨化剂浓度大于12％时，烟梗极易碳化，甚至燃烧。故膨化剂的最佳浓度约为10％左右。

3 结论

烟梗含水率对烟梗微波膨化率有重要影响，烟梗含水率在18%～21%之间膨化效果最佳，膨化 烟梗无碳化现象；微波膨化时间也严重影响烟梗膨化重要因素，最佳膨化时间约为70～9 0 s，膨化率迅速增大；在烟梗微波膨化过程中，温度也发生明显的变化，当温 度在85～95 ℃ 范围内时，烟梗膨化最为显著，因此温度的变化可以作为控制产品质量的一个重要参数；适 量膨化剂的加入不仅可以显著提高烟梗的膨化率，而且还可以改善烟梗的膨化质量， 因此膨 化剂对烟梗微波膨化有重要作用。微波膨化烟梗加热均匀、快速，温度易控，设备体积小， 因此微波膨化烟梗将具有一定的应用前景。

参考文献：

［1］ 李光裴，李晓薇．烟秆工业利用的新前途［J］．农牧产品的开发，1999 ，(4)：30-32．

［2］ 金钦汉．微波化学［M］．北京：科学出版社，1999：1-6.

［3］ 彭金辉，张利波．综合利用烟秆废料制造活性炭［R］．上海：第十届全 国微波能学术会议，2001．

［4］ NG LK， HUPE M．Effects of moisture content in

cigar tobacco o n nicotine extraction.similarity between soxhlet and focused open-vessel micro wave-assisted techniques［J］．Journal Of Chromatography，2003，(1-2)：21 3-219．

［5］ JONES D A，KINGMAN S W．The influence of microwave energy del ivery method o n strength reduction in ore samples［J］．Chemical Engineering & Processing，200 7，4：291-299．

［6］ 李天真．米制小食品微波膨化的影响因素分析［J］．西部粮油科技，20 02，（1）：31-32．

［7］ 夏洪应，张利波．微波辐射-水蒸气法制备烟杆基颗粒活性炭［J］．化 学工程，2007，(1) ：48-51．

［8］ 张立彦，芮汉明．碳酸氢钠对淀粉物料微波膨化的影响研究［J］．郑州 工程学院学报，2001，（4）：85-88．

［9］ HUA-YING ZHOU， CHUN-ZHAO LIU． Microwa-

ve-assisted extracti on of sol anesol from tobacco leaves［J］．Journal Of Chromatography，2006，8：135-139．

［10］ THEOPHILUS EH，PENCE DH，MECKLEY DR，et al．Toxicological e valuation of expanded shredded tobacco stems［J］．Food And Chemical Toxicology ，2004，(4)：631-639．

［11］ 陈明功．微波膨化烟梗的工艺方法：中国，CN101099598

［P/OL］．2008-01 -09［2008-04-20］．http://search.sipo.gov.cn/sipo/zljs/hyjs-yx-new.jsp?recid= CN2007 10025714.8&leixin;=fmzl&title;=微波膨化烟梗的工艺方法&ipc;=A24B5/00(2006.01)I．

(责任编辑：李 丽)